浸水斜坡軟基沉降演化規律分析

郭錦霞，趙國智

（山西省水利建筑工程局有限公司,山西 太原 030006）

1 引言

路基不均勻沉降通常會導致路面縱橫向開裂、路基失穩等病害,在工程建設中越來越受到研究者的關注。鄭治[1]通過調查和分析西部地區高填方路堤沉降病害得出路基填筑過程中及工后所產生的不均勻沉降是路面結構破壞的主要原因之一。錢家歡[2]等提出路基的不均勻沉降將對路面結構層產生附加應力,使路面結構產生裂縫,容易引起路面結構的早期破壞。任超[3]等基于黏聚帶的擴展有限元的數值模擬分析揭示了瀝青路面結構在不均勻沉降下的表面裂縫和反射裂縫的宏觀演化過程。王新岐[4]等基于現有資料建立的軟基上露面結構應力分析模型,計算分析得出：軟基不均勻沉降是引起基層和面層開裂的主要原因。張必勝[5]采用數值分析方法對福建省軟土地區典型的倒裝路面結構進行計算分析,提出了路基雙側拼寬下倒裝路面結構的最大差異工后沉降控制標準。黃永強[6]等采用ANSYS 軟件建立瀝青混凝土路面結構對路基橫向不均勻沉降力學響應的有限元模型,研究得出：不均勻沉降對路面結構（分層厚度、模量）的應力具有顯著影響。劉蓓[7]采用ANSYS 軟件建立路面結構分析模型,研究表明：局部的應力集中是造成路面結構破壞的直接原因。王大鵬[8]等提出了一種水泥混凝土路面有限元計算模型。根據模型計算結果發現：碎石層具有減小路面結構附加應力（由差異沉降產生）的作用。

由上可知,改善路面結構參數有利于減少路基不均勻沉降,但對浸水斜坡軟基沉降演化規律研究較少。因而,本文采用數值分析方法,開展浸水斜坡軟基沉降分析,探索該特殊路基環境下的沉降演化規律,以便于對水利工程設計和施工提供借鑒參考。

2 工程概況

某水利工程臨時道路穿過斜坡軟基路段,路基面寬度18 m,填方路堤平均高度4 m,路堤邊坡坡比為1∶3。地基土自上而下分別為泥炭（平均厚度6 m）和黏土（平均厚度14 m）,路堤填土為砂土,路面結構自上而下分別為瀝青瑪蹄脂SMA（厚度4 cm）、瀝青混凝土AC20（厚度6 cm）、瀝青穩定碎石ATB（厚度24 cm）、級配碎石GM（厚度15 cm）、水泥穩定碎石CTB（厚度20 cm）。考慮到該路段地基特殊性,現通過數值模擬手段探索該路段沉降演化規律,為后期工程設計和施工提供參考。

3 模型建立

考慮到臨時道路路基的特殊性,取全斷面分析,同時視為平面應變問題。經過試算,數值模型中地基寬度取為80 m,平均深度為20 m,地面坡度為1∶10,以盡量避免、削減邊界條件的影響。地下水位線處于地面最低處。假設模型中深部的砂土層不會出現變形。因此,模型不包括這一砂土層,取而代之的是使用一個固定邊界。模型見圖1。

圖1 數值模型（單位：m）

材料參數見表1、表2。采用15 節點高精度三角形單元的離散模型。在初始條件中,設置水容重為10 kN/m3。水壓力完全是靜態的,基于一條通過點（-40,-4）和（40,4）的一般水位線。固結分析的邊界條件,在沒有任何附加輸入的情況下,所有邊界都是排水的。因此,水可以通過任何邊界流出,超靜水壓可以在各個方向上消散。但是,本模型左側和右側豎直邊界上沒有自由水流流出,因而必須關閉。上部邊界顯然是透水的,軟土層的超靜水壓可以滲流到下臥的透水砂土層中（沒有包括在模型中）,故底部邊界應是透水的。

表1 路面材料參數

表2 路堤填土和地基土的材料參數

4 浸水斜坡軟基沉降分析

4.1 浸水斜坡軟基面及坡腳點沉降分析

圖2為浸水斜坡軟基面沉降演化規律。由圖（a）～（d）可知,隨著上部結構填筑高度增加,軟基面沉降不斷增大且最大沉降不再位于路面中心處,而是均向左（坡底側）偏移。

圖2 浸水斜坡軟基面沉降

圖3（a）為坡腳點A 和B 在X 方向的位移變化圖,圖中A 和B 點的位移變化方向一致,均沿著坡度下降的方向,且A 點的位移明顯大于B 點。圖（b）為坡腳點A 和B 在Y 方向的位移變化圖,圖中A 和B 點的位移變化方向不同,由于軟基面的傾斜坡腳點A 起初會微微隆起,后又逐漸沉降；B點在荷載的作用下位移方向不改變,在施工期的位移變化曲線較陡。圖（c）可以看出,坡腳點A 和B 的不均勻沉降在路基填筑后為0.37 m,上部結構填筑后為0.85 m,15 年工后達到

圖3 坡腳點不均勻沉降

1.64 m,變化趨勢逐漸增大,后又趨于平緩,其中83.1%的差異沉降發生在施工期。綜上可知,施工期A 點和B 點由于受地面坡度（1∶10）影響,其變形均與浸水斜坡軟基路堤的自穩性有較大關系。B 點最終沉降大于A 點,是浸水斜坡軟基路堤自穩調整的結果。

4.2 上部結構及填筑關鍵點沉降分析

由圖4（a）可知路面會產生工后不均勻沉降,最大的工后沉降差為150 mm,該值大于張必勝[5]提出的最大差異工后沉降控制標準5 mm,且現有研究資料已經表明,路面的差異沉降會影響其使用壽命和性能,甚至危及行車安全,因此,工后差異沉降在實際工程中應予以重視。圖（b）為路面點C、D 和E在X 方向的位移變化,其中C 點的位移變化方向不同。圖（c）為路面點C、D 和E 在Y 方向的位移變化,位移變化方向一致。

圖4 路面不均勻沉降

5 結論

（1）浸水斜坡軟基面沉降隨填筑高度增加而增大,且受斜坡影響兩側坡腳點差異沉降明顯。

（2）浸水斜坡軟基上部結構沉降隨填筑高度增加而增大,施工期沉降速率及沉降量均明顯大于工后。

（3）浸水斜坡軟基上路面最大沉降中心受斜坡影響向左（坡底側）偏移。斜坡地基沉降分布規律明顯不同于平坦地基,實際工程設計中應予以重視。